JP5734795B2 - Biotreatment method for biomass - Google Patents

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Description

本発明は、バイオマスの前処理方法に関する。   The present invention relates to a biomass pretreatment method.

近年、自動車用燃料として、ガソリン−エタノール混合燃料を用いることが検討されている。前記エタノールとして、植物性物質の発酵、蒸留により得たバイオエタノールを用いると、土壌管理を厳密に行うことにより所謂カーボンニュートラル効果を得ることができ、二酸化炭素の排出量を低減して地球温暖化の防止に寄与できるものと考えられている。   In recent years, it has been studied to use a gasoline-ethanol mixed fuel as a fuel for automobiles. When bioethanol obtained by fermentation and distillation of plant substances is used as the ethanol, a so-called carbon neutral effect can be obtained by strict soil management, reducing carbon dioxide emissions and global warming. It is thought that it can contribute to prevention of

しかし、前記植物性物質として、例えばサトウキビ、トウモロコシ等の農作物を用いると、該農作物がエタノールの原料として大量に消費されることにより、食料又は飼料としての供給量が減少するという問題がある。そこで、前記植物性物質として、食用または飼料用とならないリグノセルロース系バイオマスを用いてエタノールを製造する技術が検討されている。   However, when a crop such as sugar cane or corn is used as the plant substance, there is a problem that the supply amount as food or feed decreases because the crop is consumed in large quantities as a raw material for ethanol. Then, the technique which manufactures ethanol using the lignocellulosic biomass which does not become food or feed as said plant substance is examined.

前記リグノセルロース系バイオマスは、セルロースを含んでおり、該セルロースを糖化酵素を用いて糖化処理することによりグルコースに分解し、得られたグルコースを発酵させてエタノールを得ることができる。   The lignocellulosic biomass contains cellulose, and it can be decomposed into glucose by subjecting the cellulose to saccharification treatment using a saccharifying enzyme, and the obtained glucose can be fermented to obtain ethanol.

ところが、前記リグノセルロース系バイオマスは、セルロースの他にヘミセルロース及びリグニンを主な構成成分としており、通常該セルロース及び該ヘミセルロースは、該リグニンに強固に結合しているため、そのままでは該セルロースに対する酵素糖化反応を行うことが難しい。従って、前記セルロースを酵素糖化反応させるに際しては、予め前記リグノセルロース系バイオマスを前処理して酵素糖化反応が可能な状態としておくことが望ましい。   However, the lignocellulosic biomass mainly contains hemicellulose and lignin in addition to cellulose, and usually the cellulose and the hemicellulose are firmly bound to the lignin. It is difficult to carry out the reaction. Therefore, when enzymatically saccharifying the cellulose, it is desirable that the lignocellulosic biomass is pretreated in advance so that the enzymatic saccharification reaction is possible.

前記リグノセルロース系バイオマスを酵素糖化反応が可能な状態とするために、基質としてのリグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを混合して基質混合物とし、該基質混合物を所定温度に所定時間保持する前処理方法が知られている。前記前処理方法によれば、前記基質からリグニンを解離させ又は該基質を膨潤させることにより、該基質としてのリグノセルロース系バイオマスを酵素糖化反応可能な状態とすることができる。   In order to make the lignocellulosic biomass ready for an enzymatic saccharification reaction, a pretreatment for mixing the lignocellulosic biomass as a substrate with ammonia water to form a substrate mixture and holding the substrate mixture at a predetermined temperature for a predetermined time The method is known. According to the pretreatment method, lignin is dissociated from the substrate or the substrate is swollen, whereby the lignocellulosic biomass as the substrate can be brought into a state capable of enzymatic saccharification reaction.

尚、本願において、解離とは、セルロース等に結合しているリグニンの結合部位のうち、少なくとも一部の結合を切断することをいう。また、膨潤とは、液体の浸入により結晶性セルロースを構成するセルロース等に空隙が生じ、又は、セルロース繊維の内部に空隙が生じて膨張することをいう。   In addition, in this application, dissociation means cut | disconnecting at least one part coupling | bonding among the binding sites of lignin couple | bonded with cellulose etc. Swelling means that voids are formed in cellulose or the like constituting crystalline cellulose by the ingress of liquid, or the voids are generated inside the cellulose fibers to expand.

また、前記アンモニア水は、前記前処理後、前記基質混合物から分離された気体のアンモニアを冷却して凝縮させると共に水に溶解させることにより回収することができる。   Further, the ammonia water can be recovered by cooling and condensing gaseous ammonia separated from the substrate mixture after the pretreatment and dissolving it in water.

そこで、前記前処理方法において、前記基質混合物を加熱する第1の熱媒体を加熱するヒートポンプに、第2の熱媒体を供給し、第2の熱媒体を第1の熱媒体との間で熱交換させることにより冷却し、冷却された第2の熱媒体を用いて前記アンモニアを冷却する方法が提案されている(例えば特許文献1参照)。   Therefore, in the pretreatment method, a second heat medium is supplied to a heat pump that heats the first heat medium that heats the substrate mixture, and the second heat medium is heated between the first heat medium and the heat medium. A method has been proposed in which the ammonia is cooled by replacement, and the ammonia is cooled using the cooled second heat medium (see, for example, Patent Document 1).

特開2010−142680号公報JP 2010-142680 A

しかしながら、前記従来の前処理方法は、回分(バッチ)式で行うときには、前記基質混合物の前処理終了直後に、前記アンモニア含有糖化前処理物から放散されて分離されるアンモニアは高濃度かつ大量になる。この結果、前記高濃度かつ大量のアンモニアの冷却に大きな冷却熱エネルギーを要し、ヒートポンプ始動時の高温かつ少量の熱媒体では速やかに冷却することが難しいという不都合がある。   However, when the conventional pretreatment method is performed in a batch system, immediately after the pretreatment of the substrate mixture is completed, the ammonia released and separated from the ammonia-containing saccharification pretreatment product has a high concentration and a large amount. Become. As a result, a large amount of cooling heat energy is required for cooling the high concentration and large amount of ammonia, and it is difficult to quickly cool with a high temperature and a small amount of heat medium when starting the heat pump.

前記不都合を解決するために、ヒートポンプ自体を大型化したり、他の冷却手段を設けたりすることが考えられるが、このようにするときには設備コストの増大が避けられない。また、前記アンモニアは前記前処理終了直後の時期を過ぎれば、その後は、濃度及び発生量が低下し、冷却に要する冷却熱エネルギーも低減するので、冷却に要する設備を大型化すると運転コストが増大するという不都合もある。   In order to solve the inconvenience, it is conceivable to increase the size of the heat pump itself or to provide other cooling means, but when doing so, an increase in equipment cost is inevitable. In addition, if the time immediately after the end of the pretreatment is over, the concentration and generation amount of ammonia will decrease, and the cooling heat energy required for cooling will also decrease. There is also the inconvenience of doing.

本発明は、かかる不都合を解消して、前記基質混合物の前処理終了直後に前記アンモニア含有糖化前処理物から放散される高濃度かつ大量のアンモニアの冷却を速やかにかつ低コストで効率よく行うことができるバイオマスの前処理方法を提供することを目的とする。   The present invention eliminates such inconveniences, and immediately and efficiently cools a high concentration and a large amount of ammonia released from the ammonia-containing saccharification pretreatment immediately after the pretreatment of the substrate mixture is completed. It aims at providing the pre-processing method of the biomass which can be processed.

かかる目的を達成するために、本発明は、回分式で基質としてのリグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを混合して基質混合物を得る工程と、該基質混合物を所定の温度に加熱すると共に該温度に所定の時間保持することにより該基質からリグニンを解離させ又は該基質を膨潤させてアンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを放散させてアンモニアが分離されたアンモニア分離糖化前処理物を得る工程と、該アンモニア含有糖化前処理物から放散されたアンモニアを冷却して凝縮させると共に水に溶解させてアンモニア水として回収する工程とを備え、該基質混合物を加熱する第1の熱媒体を加熱するヒートポンプに、第2の熱媒体を供給し、第2の熱媒体を第1の熱媒体との間で熱交換させることにより冷却し、冷却された第2の熱媒体を用いて該アンモニアを冷却するバイオマスの前処理方法において、第2の熱媒体を該ヒートポンプと該アンモニアを冷却する部分とに循環させる循環経路に、該アンモニアを冷却する部分を回避して該ヒートポンプに循環させるバイパス循環経路を設け、第2の熱媒体を該バイパス循環経路に循環させることにより、第2の熱媒体を該循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却し、該循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却された第2の熱媒体を予め所定量貯留しておくと共に、該アンモニア含有糖化前処理物のアンモニアの放散の初期段階から、放散されるアンモニアの濃度が所定の濃度に低下し、かつ、該アンモニアの量が所定の量に低下するまでの間、貯留されている第2の熱媒体により該アンモニアを冷却することを特徴とする。 In order to achieve this object, the present invention comprises a step of mixing a lignocellulosic biomass and ammonia water as a substrate in a batch system to obtain a substrate mixture, heating the substrate mixture to a predetermined temperature, and For a predetermined period of time to dissociate lignin from the substrate or swell the substrate to obtain an ammonia-containing saccharification pretreatment product, and to release ammonia from the ammonia-containing saccharification pretreatment product to separate ammonia. A process for obtaining a pre-treated ammonia separation saccharification product, and a step of cooling and condensing the ammonia released from the ammonia-containing saccharification pre-treatment product and dissolving it in water and recovering it as ammonia water. A second heat medium is supplied to a heat pump that heats the first heat medium to be heated, and the second heat medium is interposed between the first heat medium and the heat pump. In the biomass pretreatment method in which the ammonia is cooled using the cooled second heat medium and cooled by using the second heat medium that is cooled, the second heat medium is circulated between the heat pump and the portion that cools the ammonia. A bypass circulation path is provided in the path to circulate to the heat pump while avoiding the portion that cools the ammonia, and the second heat medium is circulated through the bypass circulation path so that the second heat medium is passed to the circulation path. A predetermined amount of the second heat medium cooled to a temperature lower than the temperature at the time of circulation and cooled to a temperature lower than the temperature at the time of circulation to the circulation path is stored in advance, and the ammonia-containing saccharification pretreatment product between the early stage dissipation of ammonia, to a concentration of ammonia dissipated it is reduced to a predetermined concentration, and the amount of the ammonia is reduced to a predetermined amount, savings Characterized by cooling the ammonia by the second heat medium being.

本発明の前処理方法は、回分(バッチ)式であり、まず、基質としてのリグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを混合して基質混合物を得る。   The pretreatment method of the present invention is a batch type, and first, lignocellulosic biomass as a substrate and aqueous ammonia are mixed to obtain a substrate mixture.

次に、前記基質混合物を所定の温度に所定の時間保持することにより、該基質からリグニンを解離させ又は該基質を膨潤させてアンモニア含有糖化前処理物を得る。前記アンモニア含有糖化前処理物は、前記基質としてのリグノセルロース系バイオマスが酵素糖化反応可能な状態に前処理されているが、アンモニアを含有しているためにpHが高く、そのままでは酵素糖化反応に供することができない。   Next, by holding the substrate mixture at a predetermined temperature for a predetermined time, lignin is dissociated from the substrate or the substrate is swollen to obtain an ammonia-containing saccharification pretreatment product. The ammonia-containing saccharification pretreatment product is pretreated so that the lignocellulosic biomass as the substrate can undergo an enzymatic saccharification reaction, but has a high pH because it contains ammonia. It cannot be served.

そこで、次に、前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを放散させて分離する一方、放散されたアンモニアを冷却して凝縮させると共に水に溶解させてアンモニア水として回収する。この結果、アンモニアが分離されたアンモニア分離前処理物を得ることができ、該アンモニア分離前処理物を酵素糖化反応に供することができる。   Therefore, next, ammonia is diffused and separated from the ammonia-containing saccharification pretreatment product, while the diffused ammonia is cooled and condensed and dissolved in water to be recovered as ammonia water. As a result, an ammonia separation pretreatment product from which ammonia has been separated can be obtained, and the ammonia separation pretreatment product can be subjected to an enzymatic saccharification reaction.

前記アンモニアの冷却は、前記基質混合物を加熱する第1の熱媒体を加熱するヒートポンプに、第2の熱媒体を供給し、第2の熱媒体を第1の熱媒体との間で熱交換させることにより冷却し、冷却された第2の熱媒体を用いて行う。ところで、本発明の前処理方法は回分式であるので、前記基質混合物の前処理直後には、前記アンモニア含有糖化前処理物から高濃度かつ大量のアンモニアが放散されることとなり、該アンモニアを冷却するために大きな冷却熱エネルギーが必要となる。   The cooling of the ammonia is performed by supplying a second heat medium to a heat pump that heats the first heat medium that heats the substrate mixture and exchanging heat between the second heat medium and the first heat medium. This is performed by using the cooled second heat medium. By the way, since the pretreatment method of the present invention is a batch type, immediately after the pretreatment of the substrate mixture, a large amount of ammonia is released from the ammonia-containing saccharification pretreatment product, and the ammonia is cooled. In order to do so, a large amount of cooling heat energy is required.

そこで、本発明の前処理方法では、前記第2の熱媒体を前記ヒートポンプと前記アンモニアを冷却する部分とに循環させる循環経路に、該アンモニアを冷却する部分を回避して該ヒートポンプに循環させるバイパス循環経路を設け、第2の熱媒体を該バイパス循環経路に循環させる。このようにすると、前記第2の熱媒体は、冷却熱エネルギーが前記アンモニアの冷却により失われることがないので、次第により低温に冷却される。   Therefore, in the pretreatment method of the present invention, a bypass for circulating the second heat medium to the heat pump while avoiding the portion for cooling the ammonia in a circulation path for circulating the second heat medium to the portion for cooling the heat pump and the ammonia. A circulation path is provided, and the second heat medium is circulated through the bypass circulation path. In this case, the second heat medium is gradually cooled to a lower temperature because the cooling heat energy is not lost by the cooling of the ammonia.

そこで、前記のようにして、前記第2の熱媒体を前記循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却し、該循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却された第2の熱媒体を予め所定量貯留しておく。そして、前記アンモニア含有糖化前処理物のアンモニアの放散の初期段階から、放散されるアンモニアの濃度が所定の濃度に低下し、かつ、該アンモニアの量が所定の量に低下するまでの間、貯留されている第2の熱媒体により該アンモニアを冷却する。 Therefore, as described above, the second heat medium is cooled to a temperature lower than the temperature at which the second heat medium is circulated through the circulation path, and is cooled to a temperature lower than the temperature at which the second heat medium is circulated through the circulation path. A predetermined amount of heat medium is stored in advance. Then, during the period from the initial stage of the dissipation of ammonia the ammonia-containing saccharification pretreated product, to a concentration of ammonia dissipated it is reduced to a predetermined concentration, and the amount of the ammonia is reduced to a predetermined amount, the reservoir The ammonia is cooled by the second heat medium.

本発明の前処理方法によれば、このようにすることにより、前記アンモニア含有糖化前処理物から放散されるアンモニアの濃度が所定の濃度に低下し、該アンモニアの量が所定の量に低下するまでの冷却を速やかに、しかも該冷却を別途他の冷却手段を設けたり、ヒートポンプ自体を大型化することなく、低コストで効率よく行うことができる。   According to the pretreatment method of the present invention, in this way, the concentration of ammonia released from the ammonia-containing saccharification pretreatment product is reduced to a predetermined concentration, and the amount of ammonia is reduced to a predetermined amount. Can be quickly and efficiently performed at low cost without providing other cooling means or increasing the size of the heat pump itself.

本発明の前処理方法において、前記ヒートポンプは、単一の熱媒体を用いるものであってもよいが、2種類の熱媒体を備える2元系ヒートポンプを用いることにより、前記アンモニアの冷却をさらに効率よく行うことができる。   In the pretreatment method of the present invention, the heat pump may use a single heat medium, but by using a binary heat pump including two kinds of heat medium, the cooling of the ammonia is more efficient. Can be done well.

また、本発明の前処理方法において、前記第2の熱媒体の貯留は、前記基質混合物を得る工程及び前記アンモニア含有糖化前処理物を得る工程の間に行われることが好ましい。本発明の前処理方法は回分式であるので、前記基質混合物を得る工程及び前記アンモニア含有糖化前処理物を得る工程の間は、前記アンモニアの冷却は行われていない。従って、前記基質混合物を得る工程の間に前記ヒートポンプを稼働することにより、効率よく前記第2の熱媒体の貯留を行うことができる。   In the pretreatment method of the present invention, the storage of the second heat medium is preferably performed between the step of obtaining the substrate mixture and the step of obtaining the ammonia-containing saccharification pretreatment product. Since the pretreatment method of the present invention is a batch system, the ammonia is not cooled during the step of obtaining the substrate mixture and the step of obtaining the ammonia-containing saccharification pretreatment product. Accordingly, the second heat medium can be efficiently stored by operating the heat pump during the step of obtaining the substrate mixture.

本実施形態の前処理方法を実施する装置構成を示すシステム構成図。The system block diagram which shows the apparatus structure which implements the pre-processing method of this embodiment. 図1に示す2元系ヒートポンプのラインの一例を概略的に示す説明図。Explanatory drawing which shows schematically an example of the line of the binary system heat pump shown in FIG.

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

本実施形態の前処理方法は、図1に示す前処理装置1を用いて実施することができる。   The pretreatment method of this embodiment can be implemented using the pretreatment apparatus 1 shown in FIG.

前処理装置1は、反応容器2と、アンモニア凝縮器3と、アンモニア吸収塔4と、アンモニアタンク5とを備えている。   The pretreatment device 1 includes a reaction vessel 2, an ammonia condenser 3, an ammonia absorption tower 4, and an ammonia tank 5.

反応容器2は、上部に、基質供給導管6と、アンモニア水供給導管7とが配設されていると共に、アンモニアガスを排出しアンモニア凝縮器3に案内する第1排気導管8が排気弁9とバグフィルタ10とを介して配設されている。基質供給導管6は、基質としてのリグノセルロース系バイオマス、例えば稲藁を反応容器2に供給し、アンモニア水供給導管7は、図示しないアンモニア水タンクからアンモニア水を反応容器2に供給する。   The reaction vessel 2 is provided with a substrate supply conduit 6 and an ammonia water supply conduit 7 at the top, and a first exhaust conduit 8 for discharging ammonia gas and guiding it to the ammonia condenser 3 is connected to an exhaust valve 9. It is arranged via the bag filter 10. The substrate supply conduit 6 supplies lignocellulosic biomass as a substrate, such as rice straw, to the reaction vessel 2, and the ammonia water supply conduit 7 supplies ammonia water to the reaction vessel 2 from an ammonia water tank (not shown).

また、反応容器2は、上部に配設されたモータ11と、モータ11から反応容器2内部に垂下される回転軸12と、回転軸12から水平方向に延出された攪拌翼13とを備えると共に、外側に熱媒体が流通されるジャケット14を備えている。ジャケット14には温水導管15が接続されている。   The reaction vessel 2 also includes a motor 11 disposed at the top, a rotary shaft 12 that hangs down from the motor 11 into the reaction vessel 2, and a stirring blade 13 that extends from the rotary shaft 12 in the horizontal direction. In addition, a jacket 14 through which a heat medium is circulated is provided. A hot water conduit 15 is connected to the jacket 14.

温水導管15は、ジャケット14の上部から導出された第1の熱媒体としての温水を温水1次タンク16、温水1次ポンプ17、空冷ファン18、2元系ヒートポンプ19、第1切替弁20を介して、ジャケット14の底部に循環させるようになっている。   The hot water conduit 15 supplies hot water as a first heat medium derived from the upper part of the jacket 14 to a hot water primary tank 16, a hot water primary pump 17, an air cooling fan 18, a two-way heat pump 19, and a first switching valve 20. And is circulated to the bottom of the jacket 14.

第1切替弁20には温水バイパス導管21が接続されており、温水バイパス導管21は第2切替弁22を介して他端部が温水1次タンク16に接続されている。また、第2切替弁22には高温水導管24が接続されており、高温水導管24は他端部が温水2次タンク25に接続されている。第1切替弁20、第2切替弁22は、それぞれ2元系ヒートポンプ19に設けられた第1温度センサ23で検知される温度により温水の流路を切り替える。   A warm water bypass conduit 21 is connected to the first switching valve 20, and the other end of the warm water bypass conduit 21 is connected to the warm water primary tank 16 via a second switching valve 22. A high temperature water conduit 24 is connected to the second switching valve 22, and the other end of the high temperature water conduit 24 is connected to a hot water secondary tank 25. The 1st switching valve 20 and the 2nd switching valve 22 switch the flow path of warm water according to the temperature detected by the 1st temperature sensor 23 provided in the binary system heat pump 19, respectively.

温水2次タンク25には高温水供給導管26が設けられており、高温水供給導管26は温水2次ポンプ27を介して、第1切替弁20の下流側で温水導管15に接続されている。尚、温水1次タンク16には第1補給水導管28が設けられており、第1補給水導管28は第1給水弁29を介して第1補給水タンク30に接続されている。   The hot water secondary tank 25 is provided with a high temperature water supply conduit 26, and the high temperature water supply conduit 26 is connected to the hot water conduit 15 on the downstream side of the first switching valve 20 via the hot water secondary pump 27. . The hot water primary tank 16 is provided with a first make-up water conduit 28, and the first make-up water conduit 28 is connected to the first make-up water tank 30 through a first water supply valve 29.

アンモニア凝縮器3は、第1排気導管8から導入されたアンモニアガスの少なくとも一部を冷却することにより凝縮させて液体アンモニアとするものであり、凝縮したアンモニアを排出する第1排液導管31を備えている。第1排液導管31は、凝縮したアンモニアをさらに冷却する凝縮タンク32、第1排液ポンプ33を介してアンモニアタンク5に接続されている。   The ammonia condenser 3 condenses liquid ammonia by cooling at least a part of the ammonia gas introduced from the first exhaust conduit 8, and the first exhaust conduit 31 for discharging the condensed ammonia is provided. I have. The first drainage conduit 31 is connected to the ammonia tank 5 via a condensation tank 32 and a first drainage pump 33 for further cooling the condensed ammonia.

また、アンモニア凝縮器3は、凝縮しなかったアンモニアガスを排出し、アンモニアタンク5に案内する第2排気導管34を備えており、第2排気導管34は開閉弁35を介してアンモニアタンク5に接続されている。第2排気導管34は開閉弁35の上流で第3排気導管36を分岐しており、第3排気導管36は途中に真空ポンプ37を備え、開閉弁35の下流で第2排気導管34に合流している。   The ammonia condenser 3 includes a second exhaust conduit 34 that discharges ammonia gas that has not been condensed and guides the ammonia gas to the ammonia tank 5. The second exhaust conduit 34 is connected to the ammonia tank 5 via an on-off valve 35. It is connected. The second exhaust conduit 34 branches from the third exhaust conduit 36 upstream of the on-off valve 35, and the third exhaust conduit 36 includes a vacuum pump 37 on the way, and joins the second exhaust conduit 34 downstream of the on-off valve 35. doing.

アンモニア吸収塔4は、底部でアンモニアタンク5の天面に連通しており、第2排気導管34によりアンモニアタンク5に案内されたアンモニアガスをアンモニア水に吸収(溶解)させる。このため、アンモニア吸収塔4は、アンモニア水循環導管38を介してアンモニアタンク5から供給されるアンモニア水をシャワリングするシャワリング装置39を上部に備えている。   The ammonia absorption tower 4 communicates with the top surface of the ammonia tank 5 at the bottom, and absorbs (dissolves) the ammonia gas guided to the ammonia tank 5 by the second exhaust conduit 34 in the ammonia water. For this reason, the ammonia absorption tower 4 is provided with a showering device 39 for showering the ammonia water supplied from the ammonia tank 5 via the ammonia water circulation conduit 38.

アンモニア水循環導管38は、アンモニアタンク5から循環ポンプ40、アンモニア水熱交換器41、アンモニア濃度センサ42を介してシャワリング装置39に接続されている。アンモニア水熱交換器41は、アンモニア水循環導管38に循環されるアンモニア水を冷却する機能を備えている。また、アンモニア吸収塔4には、第2補給水導管43が設けられており、第2補給水導管43は第2給水弁44を介して第2補給水タンク45に接続されている。   The ammonia water circulation conduit 38 is connected from the ammonia tank 5 to the showering device 39 via the circulation pump 40, the ammonia water heat exchanger 41, and the ammonia concentration sensor 42. The ammonia water heat exchanger 41 has a function of cooling the ammonia water circulated through the ammonia water circulation conduit 38. The ammonia absorption tower 4 is provided with a second makeup water conduit 43, and the second makeup water conduit 43 is connected to a second makeup water tank 45 via a second water supply valve 44.

アンモニアタンク5は、アンモニア水を排出する第2排液導管46を備えており、第2排液導管46は、第2排液ポンプ47を介して図示しないアンモニア水タンクに接続されている。   The ammonia tank 5 includes a second drainage conduit 46 for discharging ammonia water, and the second drainage conduit 46 is connected to an ammonia water tank (not shown) via a second drainage pump 47.

また、アンモニア凝縮器3には、第1排気導管8から導入されたアンモニアガスを冷却する低温水導管48が接続されている。低温水導管48はアンモニア凝縮器3から導出された第2の熱媒体としての低温水を低温水1次タンク49、低温水1次ポンプ50、2元系ヒートポンプ19、第3切替弁51、アンモニア水熱交換器41、凝縮タンク32を介して、アンモニア凝縮器3に循環させるようになっている。   The ammonia condenser 3 is connected to a low-temperature water conduit 48 for cooling the ammonia gas introduced from the first exhaust conduit 8. The low temperature water conduit 48 converts low temperature water derived from the ammonia condenser 3 as a second heat medium into a low temperature water primary tank 49, a low temperature water primary pump 50, a two-way heat pump 19, a third switching valve 51, ammonia. The water is circulated to the ammonia condenser 3 through the water heat exchanger 41 and the condensation tank 32.

第3切替弁51には低温水バイパス導管52が接続されており、低温水バイパス導管52は第4切替弁53を介して他端部が低温水1次タンク49に接続される。また、第4切替弁53には冷水導管55が接続されており、冷水導管55は他端部が低温水2次タンク56に接続されている。第3切替弁51、第4切替弁53は、それぞれ2元系ヒートポンプ19に設けられた第2温度センサ54で検知される温度により低温水の流路を切り替える。   A low temperature water bypass conduit 52 is connected to the third switching valve 51, and the other end of the low temperature water bypass conduit 52 is connected to the low temperature water primary tank 49 via the fourth switching valve 53. A cold water conduit 55 is connected to the fourth switching valve 53, and the other end of the cold water conduit 55 is connected to the low temperature water secondary tank 56. The third switching valve 51 and the fourth switching valve 53 switch the flow path of the low-temperature water according to the temperature detected by the second temperature sensor 54 provided in the binary system heat pump 19.

低温水2次タンク56には冷水供給導管57が設けられており、冷水供給導管57は低温水2次ポンプ58を介して、第3切替弁51の下流側で低温水導管48に接続されている。尚、低温水1次タンク49には第3補給水導管59が設けられており、第3補給水導管59は第3給水弁60を介して第3補給水タンク61に接続されている。   The low temperature water secondary tank 56 is provided with a cold water supply conduit 57, and the cold water supply conduit 57 is connected to the low temperature water conduit 48 downstream of the third switching valve 51 via the low temperature water secondary pump 58. Yes. The low temperature water primary tank 49 is provided with a third make-up water conduit 59, and the third make-up water conduit 59 is connected to the third make-up water tank 61 through the third water supply valve 60.

次に、本実施形態の前処理装置1の作動について説明する。   Next, the operation of the pretreatment device 1 of this embodiment will be described.

前処理装置1では、まず、前回の処理で得られたアンモニア分離糖化前処理物が反応容器2底部の排出口(図示せず)から排出され、次工程に移送される。その後、基質供給導管6から新たな基質としてのリグノセルロース系バイオマス、例えば稲藁が反応容器2に供給されると共に、アンモニア水供給導管7からアンモニア水が反応容器2に供給される。   In the pretreatment device 1, first, the ammonia separation saccharification pretreatment product obtained in the previous treatment is discharged from the discharge port (not shown) at the bottom of the reaction vessel 2 and transferred to the next step. Thereafter, lignocellulosic biomass as a new substrate such as rice straw is supplied to the reaction vessel 2 from the substrate supply conduit 6, and ammonia water is supplied to the reaction vessel 2 from the ammonia water supply conduit 7.

このとき、反応容器2では、モータ11により回転軸12が回転駆動され、攪拌翼13で前記稲藁とアンモニア水とが攪拌されることにより、基質混合液が調製される。   At this time, in the reaction vessel 2, the rotating shaft 12 is rotationally driven by the motor 11, and the rice straw and the ammonia water are stirred by the stirring blade 13, whereby the substrate mixed solution is prepared.

本実施形態では、前回のアンモニア分離糖化前処理物が反応容器2から排出された後、新たな基質とアンモニア水とが反応容器2に供給され、混合されて基質混合物が得られるまでの間が、基質混合物を得る工程に相当する。   In the present embodiment, after the previous ammonia separation saccharification pretreatment product is discharged from the reaction vessel 2, a new substrate and aqueous ammonia are supplied to the reaction vessel 2 and mixed until a substrate mixture is obtained. This corresponds to the step of obtaining a substrate mixture.

前記基質混合液は、第1の熱媒体として温水導管15からジャケット14に供給される温水により、反応容器2内で所定の温度、例えば80〜85℃の範囲の温度に加熱され、該温度に所定の時間保持される。この結果、前記基質からリグニンが解離され、又は該基質が膨潤されて、該基質としての稲藁が酵素糖化反応可能な状態とされたアンモニア含有糖化前処理物を得ることができる。本実施形態では、前記作動がアンモニア含有糖化前処理物を得る工程に相当する。   The substrate mixed solution is heated to a predetermined temperature, for example, a temperature in the range of 80 to 85 ° C. in the reaction vessel 2 by the hot water supplied from the hot water conduit 15 to the jacket 14 as the first heat medium. Hold for a predetermined time. As a result, it is possible to obtain an ammonia-containing saccharification pretreatment product in which lignin is dissociated from the substrate or the substrate is swollen so that rice straw as the substrate can be enzymatically saccharified. In this embodiment, the said operation | movement corresponds to the process of obtaining an ammonia containing saccharification pre-processing thing.

前処理装置1では、次に、排気弁9を開弁することにより、前記アンモニア含有糖化前処理物に含まれるアンモニアをガスとして放散させ、バグフィルタ10を介して第1排気導管8からアンモニア凝縮器3に案内する。このとき、反応容器2内の圧力は前記加熱により大気圧より高くなっており、排気弁9を開弁することにより、前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアガスを容易に放散させることができる。   Next, in the pretreatment device 1, the ammonia contained in the ammonia-containing saccharification pretreatment product is diffused as a gas by opening the exhaust valve 9, and ammonia is condensed from the first exhaust conduit 8 through the bag filter 10. Guide to vessel 3. At this time, the pressure in the reaction vessel 2 is higher than the atmospheric pressure due to the heating, and by opening the exhaust valve 9, ammonia gas can be easily diffused from the ammonia-containing pre-saccharification product.

前記アンモニアガスは、第2の熱媒体として低温水導管48からアンモニア凝縮器3に供給される低温水により冷却され、その一部が凝縮し液化して液体アンモニアとなり、第1排液導管31を介して凝縮タンク32に排出される。前記液体アンモニアは、凝縮タンク32において低温水導管48から供給される低温水によりさらに冷却された上、第1排液ポンプ33を介してアンモニアタンク5に送られる。   The ammonia gas is cooled by low-temperature water supplied from the low-temperature water conduit 48 to the ammonia condenser 3 as a second heat medium, and a part of the ammonia gas is condensed and liquefied to form liquid ammonia. To the condensing tank 32. The liquid ammonia is further cooled by the low-temperature water supplied from the low-temperature water conduit 48 in the condensing tank 32 and then sent to the ammonia tank 5 via the first drainage pump 33.

また、前記アンモニアガスの残部は、開閉弁35を開弁することにより第2排気導管34を介してアンモニアタンク5に導入される。前記アンモニアガスの圧力は、放散されるに従って低下し、大気圧に等しくなるとそれ以上の放散が難しくなる。そこで、前処理装置1では、前記アンモニアガスの圧力が大気圧に等しくなったならば、開閉弁35を閉弁すると共に真空ポンプ37を作動させて、反応容器2内のアンモニアを吸引し、第2排気導管34、第3排気導管36を介してアンモニアタンク5に導入する。   Further, the remaining part of the ammonia gas is introduced into the ammonia tank 5 through the second exhaust conduit 34 by opening the on-off valve 35. The pressure of the ammonia gas decreases as it is diffused, and when it becomes equal to atmospheric pressure, it becomes difficult to dissipate further. Therefore, in the pretreatment device 1, when the ammonia gas pressure becomes equal to the atmospheric pressure, the on-off valve 35 is closed and the vacuum pump 37 is operated to suck the ammonia in the reaction vessel 2, 2 is introduced into the ammonia tank 5 through the exhaust pipe 34 and the third exhaust pipe 36.

反応容器2では、前記アンモニア含有糖化前処理物から前述のようにしてアンモニアが放散された結果、アンモニアが分離されたアンモニア分離糖化前処理物を得ることができる。本実施形態では、前記作動がアンモニア分離糖化前処理物を得る工程に相当する。   In the reaction vessel 2, the ammonia-separated saccharification pretreatment product from which ammonia has been separated can be obtained as a result of the ammonia being diffused from the ammonia-containing saccharification pretreatment product as described above. In this embodiment, the said operation | movement corresponds to the process of obtaining the ammonia separation saccharification pre-processing thing.

前記アンモニア分離糖化前処理物は、前述のように反応容器2底部の排出口(図示せず)から排出され、次工程に移送される。そして、反応容器2では次回の処理が準備される。   The ammonia separation saccharification pretreatment product is discharged from the discharge port (not shown) at the bottom of the reaction vessel 2 as described above and transferred to the next step. Then, the next process is prepared in the reaction vessel 2.

一方、アンモニアタンク5に導入された前記アンモニアガスは、次いでアンモニアタンク5に連通するアンモニア吸収塔4に導入される。アンモニア吸収塔4では、循環ポンプ40によりアンモニア水循環導管38を介して循環されるアンモニア水をシャワリング装置39によりシャワリングすることにより、前記アンモニアガスを該アンモニア水に吸収(溶解)させる。   On the other hand, the ammonia gas introduced into the ammonia tank 5 is then introduced into the ammonia absorption tower 4 communicating with the ammonia tank 5. In the ammonia absorption tower 4, the ammonia gas circulated by the circulation pump 40 via the ammonia water circulation conduit 38 is showered by the showering device 39, thereby absorbing (dissolving) the ammonia gas in the ammonia water.

本実施形態では、前記アンモニアガスのアンモニア凝縮器3における凝縮と、アンモニア吸収塔4における吸収(溶解)とが、放散されたアンモニアをアンモニア水として回収する工程に相当する。   In this embodiment, the condensation of the ammonia gas in the ammonia condenser 3 and the absorption (dissolution) in the ammonia absorption tower 4 correspond to a process of recovering the diffused ammonia as ammonia water.

このとき、アンモニア水循環導管38の途中にはアンモニア水熱交換器41が設けられており、前記アンモニアガスを前記アンモニア水に吸収(溶解)させる際に生成する溶解熱が低温水導管48を流通する低温水により回収される。また、同時に、前記アンモニア水が冷却される。   At this time, an ammonia water heat exchanger 41 is provided in the middle of the ammonia water circulation conduit 38, and the heat of dissolution generated when the ammonia gas is absorbed (dissolved) in the ammonia water flows through the low temperature water conduit 48. Recovered with cold water. At the same time, the ammonia water is cooled.

また、アンモニア水循環導管38にはアンモニア濃度センサ42が設けられており、アンモニア水循環導管38を介して循環されるアンモニア水のアンモニア濃度を検出する。そして、アンモニア濃度センサ42により検出されるアンモニア濃度が所定の値、例えば反応容器2に供給されるアンモニア水の濃度以上になったときには、第2給水弁44が開弁され、第2補給水タンク45から第2補給水導管43を介して、アンモニア吸収塔4に純水が補給される。この結果、アンモニアタンク5に貯留されるアンモニア水の濃度を所定の値、例えば反応容器2に供給されるアンモニア水の濃度に保持することができる。   The ammonia water circulation conduit 38 is provided with an ammonia concentration sensor 42 for detecting the ammonia concentration of the ammonia water circulated through the ammonia water circulation conduit 38. When the ammonia concentration detected by the ammonia concentration sensor 42 becomes a predetermined value, for example, the concentration of the ammonia water supplied to the reaction vessel 2, the second water supply valve 44 is opened, and the second makeup water tank Pure water is supplied to the ammonia absorption tower 4 from 45 through the second supply water conduit 43. As a result, the concentration of ammonia water stored in the ammonia tank 5 can be maintained at a predetermined value, for example, the concentration of ammonia water supplied to the reaction vessel 2.

アンモニアタンク5に貯留されるアンモニア水は、アンモニア凝縮器3及び凝縮タンク32における凝縮及び冷却と、アンモニア吸収塔4におけるアンモニア水への溶解との結果、例えば15〜20℃の範囲の温度に冷却されている。前記範囲の温度に冷却されたアンモニア水は、第2排液導管46を介して第2排液ポンプ47により取出され図示しないアンモニア水タンクに送られ、反応容器2における前記基質混合液の調製に再利用される。   The ammonia water stored in the ammonia tank 5 is cooled to a temperature in the range of 15 to 20 ° C., for example, as a result of condensation and cooling in the ammonia condenser 3 and the condensation tank 32 and dissolution in the ammonia water in the ammonia absorption tower 4. Has been. The ammonia water cooled to the temperature in the above range is taken out by the second drainage pump 47 through the second drainage conduit 46 and sent to an ammonia water tank (not shown) to prepare the substrate mixed solution in the reaction vessel 2. Reused.

次に、反応容器2における前記基質混合物の加熱について、さらに詳細に説明する。   Next, the heating of the substrate mixture in the reaction vessel 2 will be described in more detail.

前処理装置1では、前記基質混合物を得る工程の間に、第1切替弁20が温水導管15と温水バイパス導管21とを接続するように切り替えられると共に、温水1次ポンプ17、空冷ファン18及び2元系ヒートポンプ19が作動される。温水バイパス導管21は、第2切替弁22により上流と下流とが接続されている。   In the pretreatment device 1, during the step of obtaining the substrate mixture, the first switching valve 20 is switched to connect the hot water conduit 15 and the hot water bypass conduit 21, and the hot water primary pump 17, the air cooling fan 18, and The binary heat pump 19 is activated. The hot water bypass conduit 21 is connected upstream and downstream by a second switching valve 22.

このようにすると、温水1次タンク16に貯留されている温水が、温水導管15により、温水1次ポンプ17、空冷ファン18、2元系ヒートポンプ19、第1切替弁20、温水バイパス導管21を経て、温水1次タンク16に戻る経路で循環される。ここで、前記温水は、空冷ファン18で冷却された後、2元系ヒートポンプ19において2元系ヒートポンプ19の熱媒体と熱交換することにより加熱される。   In this way, the hot water stored in the hot water primary tank 16 is passed through the hot water conduit 15 through the hot water primary pump 17, the air cooling fan 18, the two-way heat pump 19, the first switching valve 20, and the hot water bypass conduit 21. Then, it is circulated through a path returning to the hot water primary tank 16. Here, the hot water is cooled by the air cooling fan 18 and then heated by exchanging heat with the heat medium of the binary heat pump 19 in the binary heat pump 19.

2元系ヒートポンプ19は2種類の熱媒体を用いるヒートポンプであり、図2に示すように、第1の循環導管71と、第2の循環導管72との2種類の熱媒体の循環系を備えている。前記2種類の熱媒体として、例えば、第1の循環導管71には二酸化炭素が循環され、第2の循環導管72にはトリフルオロエタノールが循環される。   The two-way heat pump 19 is a heat pump using two types of heat medium, and includes two types of heat medium circulation systems of a first circulation conduit 71 and a second circulation conduit 72 as shown in FIG. ing. As the two types of heat medium, for example, carbon dioxide is circulated through the first circulation conduit 71 and trifluoroethanol is circulated through the second circulation conduit 72.

第1の循環導管71は、途中に膨張弁73、低温水導管48に循環される低温水と熱交換する第1熱交換器74、圧縮機75、第2の循環導管72に循環されるトリフルオロエタノールと熱交換する第2熱交換器76を備えている。また、第2の循環導管72は、途中に膨張弁77、第1の循環導管71に循環される二酸化炭素と熱交換する第2熱交換器76、圧縮機78、温水導管15に循環される温水と熱交換する第3熱交換器79を備えている。   The first circulation conduit 71 is circulated to the expansion valve 73 and the first heat exchanger 74 that exchanges heat with the low-temperature water circulated to the low-temperature water conduit 48, the compressor 75, and the second circulation conduit 72. A second heat exchanger 76 that exchanges heat with fluoroethanol is provided. The second circulation conduit 72 is circulated to the expansion valve 77, the second heat exchanger 76 that exchanges heat with the carbon dioxide circulated to the first circulation conduit 71, the compressor 78, and the hot water conduit 15. A third heat exchanger 79 for exchanging heat with warm water is provided.

また、このとき、アンモニア凝縮器3、アンモニア吸収塔4では、前述のように前回の処理で生成したアンモニアの凝縮及び吸収が行われており、第3切替弁51により低温水導管48の上流と下流とが接続されると共に、低温水1次ポンプ50が作動されている。この結果、低温水1次タンク49に貯留されている低温水が、低温水導管48により、低温水1次ポンプ50、2元系ヒートポンプ19、第3切替弁51、アンモニア水熱交換器41、凝縮タンク32、アンモニア凝縮器3を経て、低温水1次タンク49に戻る経路で循環されている。   At this time, the ammonia condenser 3 and the ammonia absorption tower 4 condense and absorb the ammonia generated in the previous process as described above, and the third switching valve 51 causes the upstream of the low-temperature water conduit 48 to be The low-temperature water primary pump 50 is operated while being connected to the downstream. As a result, the low temperature water stored in the low temperature water primary tank 49 is transferred to the low temperature water primary pump 50, the two-way heat pump 19, the third switching valve 51, the ammonia water heat exchanger 41, by the low temperature water conduit 48. It is circulated through a path returning to the low temperature water primary tank 49 via the condensation tank 32 and the ammonia condenser 3.

ここで、前記低温水は、アンモニア水熱交換器41及び凝縮タンク32でアンモニア水と熱交換し、アンモニア凝縮器3でアンモニアガスと熱交換することにより加熱され、同時に該アンモニア水及び該アンモニア水が冷却されている。そして、前記低温水は、2元系ヒートポンプ19の第1熱交換器74において二酸化炭素と熱交換することによりアンモニア凝縮器3でアンモニアガスを凝縮させることができる温度に冷却される。また前記二酸化炭素は、2元系ヒートポンプ19の第1熱交換器74において前記低温水と熱交換することにより加熱される。   Here, the low-temperature water is heated by exchanging heat with ammonia water in the ammonia water heat exchanger 41 and the condensation tank 32, and exchanging heat with ammonia gas in the ammonia condenser 3, and at the same time, the ammonia water and the ammonia water. Has been cooled. The low-temperature water is cooled to a temperature at which ammonia gas can be condensed in the ammonia condenser 3 by exchanging heat with carbon dioxide in the first heat exchanger 74 of the binary heat pump 19. The carbon dioxide is heated by exchanging heat with the low-temperature water in the first heat exchanger 74 of the binary heat pump 19.

また、2元系ヒートポンプ19では、第2の循環導管72に循環されるトリフルオロエタノールが、第2熱交換器76で第1の循環導管71により供給される前記二酸化炭素と熱交換することにより加熱される。前記トリフルオロエタノールは、第3熱交換器79で温水導管15により供給される温水と熱交換して冷却される。この結果、温水導管15により第3熱交換器79に供給される前記温水は、反応容器2において前記基質混合物を加熱することができる温度に加熱される。   In the binary heat pump 19, the trifluoroethanol circulated through the second circulation conduit 72 exchanges heat with the carbon dioxide supplied through the first circulation conduit 71 in the second heat exchanger 76. Heated. The trifluoroethanol is cooled by exchanging heat with hot water supplied by the hot water conduit 15 in the third heat exchanger 79. As a result, the hot water supplied to the third heat exchanger 79 through the hot water conduit 15 is heated to a temperature at which the substrate mixture can be heated in the reaction vessel 2.

前処理装置1では、前述のようにして温水導管15に循環される前記温水の加熱を行うと、2元系ヒートポンプ19の始動直後には十分に加熱されることがないが、時間の経過と共に、該温水が反応容器2において前記基質混合物を加熱することができる温度に加熱されるようになる。そして、前記温水は、前述のように、温水1次タンク16から、温水導管15、温水1次ポンプ17、空冷ファン18、2元系ヒートポンプ19、第1切替弁20、温水バイパス導管21を経て、温水1次タンク16に循環されることにより、次第に昇温される。   In the pretreatment device 1, if the warm water circulated through the warm water conduit 15 is heated as described above, the warm water is not sufficiently heated immediately after the start of the binary heat pump 19. The hot water is heated to a temperature at which the substrate mixture can be heated in the reaction vessel 2. The hot water is passed from the hot water primary tank 16 through the hot water conduit 15, the hot water primary pump 17, the air cooling fan 18, the two-way heat pump 19, the first switching valve 20, and the hot water bypass conduit 21 as described above. The temperature is gradually raised by being circulated through the hot water primary tank 16.

そこで、前処理装置1では、2元系ヒートポンプ19の二次側の温水導管15に第1温度センサ23を設け、前記温水の温度を検出する。そして、第1温度センサ23により検出される前記温水の温度が反応容器2において前記基質混合物が加熱される所定(例えば80〜85℃の範囲の温度)より高温の例えば90〜95℃の範囲の温度に加熱されたならば、第2切替弁22が温水バイパス導管21と高温水導管24とを接続するように切り替えられる。この結果、前記範囲の温度の温水(以下、高温水という)が温水2次タンク25に貯留される。   Therefore, in the pretreatment device 1, the first temperature sensor 23 is provided in the hot water conduit 15 on the secondary side of the binary heat pump 19 to detect the temperature of the hot water. The temperature of the hot water detected by the first temperature sensor 23 is higher than a predetermined value (for example, a temperature in the range of 80 to 85 ° C.) in which the substrate mixture is heated in the reaction vessel 2, for example, in a range of 90 to 95 ° C. Once heated to temperature, the second switching valve 22 is switched to connect the hot water bypass conduit 21 and the hot water conduit 24. As a result, hot water having a temperature in the above range (hereinafter referred to as high temperature water) is stored in the hot water secondary tank 25.

前記高温水の貯留は、前記基質混合物を得る工程の間を通じて行われる。この間に温水2次タンク25に貯留される前記高温水の水位が上限に達したことが水位センサ(図示せず)により検出されたときは、第2切替弁22が温水バイパス導管21の上流と下流とを接続するように切り替えられ、該高温水は温水1次タンク16に循環される。   The hot water is stored throughout the step of obtaining the substrate mixture. During this time, when the water level sensor (not shown) detects that the water level of the high temperature water stored in the hot water secondary tank 25 has reached the upper limit, the second switching valve 22 is connected to the upstream side of the hot water bypass conduit 21. The high-temperature water is circulated to the hot water primary tank 16.

また、温水2次タンク25に貯留される前記高温水が不足する場合には、第1給水弁29が開弁され、第1補給水タンク30から第1補給水導管28を介して、温水1次タンク16に純水が補給される。   When the hot water stored in the hot water secondary tank 25 is insufficient, the first water supply valve 29 is opened, and the hot water 1 is supplied from the first make-up water tank 30 through the first make-up water conduit 28. The next tank 16 is supplied with pure water.

次に、前記基質混合物の調製が完了し、該基質混合物を所定の温度に加熱する段階に至ったならば、第2切替弁22により温水バイパス導管21と高温水導管24とが接続された状態で、温水2次ポンプ27を作動させる。このようにすると、温水2次タンク25に貯留されている前記高温水が高温水供給導管26及び温水導管15を介して、反応容器2のジャケット14に供給され、前記基質混合物が前記所定の温度に到達するまでの加熱を速やかに行うことができる。   Next, when the preparation of the substrate mixture is completed and the stage reaches the stage of heating the substrate mixture to a predetermined temperature, the hot water bypass conduit 21 and the hot water conduit 24 are connected by the second switching valve 22. Then, the hot water secondary pump 27 is operated. In this way, the high temperature water stored in the hot water secondary tank 25 is supplied to the jacket 14 of the reaction vessel 2 via the high temperature water supply conduit 26 and the hot water conduit 15, and the substrate mixture becomes the predetermined temperature. Heating up to reaching can be performed quickly.

次に、温水2次タンク25に貯留される前記高温水の水位が下限に達したことが水位センサ(図示せず)により検出されたならば、第1切替弁20が温水導管15の上流と下流とを接続するように切り替えられる。そして、ジャケット14の上部から導出された温水が温水導管15により、温水1次タンク16、温水1次ポンプ17、空冷ファン18、2元系ヒートポンプ19、第1切替弁20を介して、ジャケット14の底部に循環される通常の加熱状態に移行する。   Next, if it is detected by a water level sensor (not shown) that the level of the high-temperature water stored in the hot water secondary tank 25 has reached the lower limit, the first switching valve 20 is set upstream of the hot water conduit 15. It is switched so as to connect the downstream. Then, the warm water led out from the upper part of the jacket 14 is passed through the warm water conduit 15 via the warm water primary tank 16, the warm water primary pump 17, the air cooling fan 18, the two-way heat pump 19, and the first switching valve 20. It shifts to a normal heating state that is circulated to the bottom.

この結果、前記通常の加熱状態の温水により供給される熱エネルギーだけで、前記基質混合物が前記所定の温度に維持され、加熱が継続される。   As a result, the substrate mixture is maintained at the predetermined temperature only by the heat energy supplied by the warm water in the normal heating state, and heating is continued.

次に、アンモニア凝縮器3によるアンモニアガスの冷却及び凝縮について、さらに詳細に説明する。   Next, cooling and condensation of ammonia gas by the ammonia condenser 3 will be described in more detail.

前処理装置1では、前記基質混合物を得る工程の間、アンモニア凝縮器3、アンモニア吸収塔4で、前述のように前回の処理で生成したアンモニアの凝縮及び吸収が行われている。このため、第3切替弁51により低温水導管48の上流と下流とが接続されると共に、低温水1次ポンプ50が作動されている。   In the pretreatment apparatus 1, during the step of obtaining the substrate mixture, the ammonia condenser 3 and the ammonia absorption tower 4 condense and absorb the ammonia generated in the previous treatment as described above. Therefore, the third switching valve 51 connects the upstream and downstream of the low-temperature water conduit 48, and the low-temperature water primary pump 50 is operated.

この結果、低温水1次タンク49に貯留されている低温水が、低温水導管48により、低温水1次ポンプ50、2元系ヒートポンプ19、第3切替弁51、アンモニア水熱交換器41、凝縮タンク32、アンモニア凝縮器3を経て、低温水1次タンク49に戻る経路で循環される。ここで、前記低温水は、2元系ヒートポンプ19の第1熱交換器74で前記二酸化炭素と熱交換することにより冷却されている。   As a result, the low temperature water stored in the low temperature water primary tank 49 is transferred to the low temperature water primary pump 50, the two-way heat pump 19, the third switching valve 51, the ammonia water heat exchanger 41, by the low temperature water conduit 48. It is circulated through a path returning to the low temperature water primary tank 49 via the condensation tank 32 and the ammonia condenser 3. Here, the low-temperature water is cooled by exchanging heat with the carbon dioxide in the first heat exchanger 74 of the binary heat pump 19.

前記二酸化炭素は、2元系ヒートポンプ19の第2熱交換器76で前記トリフルオロエタノールと熱交換することにより冷却されている。また、前記トリフルオロエタノールは2元系ヒートポンプ19の第3熱交換器79で、温水導管15に循環され前記基質混合物を加熱する前記温水と熱交換することにより冷却されている。これを換言すれば、前記第2の熱媒体として低温水は、前記基質混合物を加熱する第1の熱媒体としての前記温水を加熱する2元系ヒートポンプ19に供給されることにより、2元系ヒートポンプ19を介して第1の熱媒体としての前記温水と熱交換することにより冷却されている。   The carbon dioxide is cooled by exchanging heat with the trifluoroethanol in the second heat exchanger 76 of the binary heat pump 19. In addition, the trifluoroethanol is cooled by exchanging heat with the warm water circulating through the warm water conduit 15 and heating the substrate mixture in the third heat exchanger 79 of the binary heat pump 19. In other words, the low temperature water as the second heat medium is supplied to the binary heat pump 19 that heats the hot water as the first heat medium that heats the substrate mixture, whereby the binary system Cooling is performed by exchanging heat with the hot water as the first heat medium via the heat pump 19.

2元系ヒートポンプ19によれば、前記2種類の熱媒体のそれぞれの圧縮比を小さくすることができ、単一の熱媒体を用いる場合に比較して、低温水導管48に循環される前記低温水の冷却を効率よく行うことができる。   According to the binary heat pump 19, the compression ratio of each of the two types of heat medium can be reduced, and the low temperature circulated through the low temperature water conduit 48 as compared with the case where a single heat medium is used. Water can be cooled efficiently.

そこで、前記低温水は、アンモニア水熱交換器41及び凝縮タンク32でアンモニア水と熱交換して該アンモニア水を冷却し、アンモニア凝縮器3でアンモニアガスと熱交換することにより該アンモニアガスを冷却する。一方、前記低温水自体は、前記アンモニア水及び前記アンモニアガスにより加熱される。   Therefore, the low-temperature water cools the ammonia water by exchanging heat with the ammonia water in the ammonia water heat exchanger 41 and the condensation tank 32, and cools the ammonia gas by exchanging heat with the ammonia gas in the ammonia condenser 3. To do. On the other hand, the low temperature water itself is heated by the ammonia water and the ammonia gas.

この間に、温水2次タンク25に貯留される前記高温水の水位が上限に達すると、前述のように、第2切替弁22が温水バイパス導管21の上流と下流とを接続するように切り替えられる。前処理装置1では、第2切替弁22の前記切替えに連動して、第3切替弁51が低温水導管48と低温水バイパス導管52とを接続するように切り替えられる。このとき、低温水バイパス導管52は、第4切替弁53により上流と下流とが接続されている。   During this time, when the water level of the high-temperature water stored in the hot water secondary tank 25 reaches the upper limit, the second switching valve 22 is switched so as to connect the upstream and downstream of the hot water bypass conduit 21 as described above. . In the pretreatment device 1, the third switching valve 51 is switched to connect the low temperature water conduit 48 and the low temperature water bypass conduit 52 in conjunction with the switching of the second switching valve 22. At this time, the low temperature water bypass conduit 52 is connected upstream and downstream by the fourth switching valve 53.

このようにすると、低温水1次タンク49に貯留されている低温水が、低温水導管48により、低温水1次ポンプ50、2元系ヒートポンプ19、第3切替弁51、低温水バイパス導管52、第4切替弁53を経て、低温水1次タンク49に戻る経路で循環されるようになる。前記低温水が、低温水バイパス導管52に流通されるようになると、アンモニア水熱交換器41及び凝縮タンク32におけるアンモニア水の冷却と、アンモニア凝縮器3におけるアンモニアガスの冷却は行われなくなる。しかし、この時点では、前回の処理で生成したアンモニアの放散は終了しているので問題は無い。   In this way, the low temperature water stored in the low temperature water primary tank 49 is transferred to the low temperature water primary pump 50, the two-way heat pump 19, the third switching valve 51, and the low temperature water bypass conduit 52 by the low temperature water conduit 48. Through the fourth switching valve 53, the water is circulated through a path returning to the low temperature water primary tank 49. When the low-temperature water is circulated through the low-temperature water bypass conduit 52, the cooling of the ammonia water in the ammonia water heat exchanger 41 and the condensation tank 32 and the cooling of the ammonia gas in the ammonia condenser 3 are not performed. However, at this point, there is no problem because the emission of ammonia generated in the previous treatment is finished.

このとき、低温水導管48に循環される前記低温水は、前述のように、2元系ヒートポンプ19の第1熱交換器74で前記二酸化炭素と熱交換することにより、アンモニア凝縮器3でアンモニアガスを凝縮させることができる温度、例えば10〜15℃の範囲の温度に冷却される。   At this time, the low-temperature water circulated through the low-temperature water conduit 48 exchanges heat with the carbon dioxide in the first heat exchanger 74 of the binary heat pump 19 as described above, whereby the ammonia in the ammonia condenser 3. It is cooled to a temperature at which the gas can be condensed, for example in the range of 10-15 ° C.

前処理装置1では、前述のようにして低温水導管48に循環される前記温水の冷却を行うと、2元系ヒートポンプ19の作動直後には十分に冷却されることがないが、時間の経過と共に、前記低温水が、アンモニア凝縮器3でアンモニアガスを凝縮させることができる温度に冷却されるようになる。そして、前記低温水は、前述のように、低温水1次タンク49から、低温水導管48により、低温水1次ポンプ50、2元系ヒートポンプ19、第3切替弁51、低温水バイパス導管52を経て、低温水1次タンク49に循環されることにより、次第にさらに低温に冷却される。   In the pretreatment device 1, when the hot water circulated through the low temperature water conduit 48 is cooled as described above, the hot water is not sufficiently cooled immediately after the operation of the binary heat pump 19. At the same time, the low-temperature water is cooled to a temperature at which ammonia gas can be condensed by the ammonia condenser 3. Then, as described above, the low-temperature water is supplied from the low-temperature water primary tank 49 by the low-temperature water conduit 48 through the low-temperature water primary pump 50, the two-way heat pump 19, the third switching valve 51, and the low-temperature water bypass conduit 52. After being circulated to the low temperature water primary tank 49, it is gradually cooled to a lower temperature.

そこで、前処理装置1では、2元系ヒートポンプ19の二次側の低温水導管48に第2温度センサ54を設け、前記温水の温度を検出する。そして、第2温度センサ54により検出される前記低温水の温度が、アンモニア凝縮器3でアンモニアガスを凝縮させることができる温度より低温に冷却されたならば、第4切替弁53が低温水バイパス導管52と冷水導管55とを接続するように切り替えられる。この結果、前記、アンモニア凝縮器3でアンモニアガスを凝縮させることができる温度より低温に冷却された低温水(以下、冷水という)が低温水2次タンク56に貯留される。   Therefore, in the pretreatment device 1, the second temperature sensor 54 is provided in the low temperature water conduit 48 on the secondary side of the binary heat pump 19 to detect the temperature of the hot water. When the temperature of the low-temperature water detected by the second temperature sensor 54 is cooled to a temperature lower than the temperature at which the ammonia gas can be condensed by the ammonia condenser 3, the fourth switching valve 53 is connected to the low-temperature water bypass. It is switched to connect the conduit 52 and the cold water conduit 55. As a result, low temperature water (hereinafter referred to as cold water) cooled to a temperature lower than the temperature at which the ammonia gas can be condensed by the ammonia condenser 3 is stored in the low temperature water secondary tank 56.

前記冷水の貯留は、前記基質混合物を得る工程の間に第3切替弁51が低温水導管48と低温水バイパス導管52とを接続するように切り替えられた後から、前記アンモニア含有糖化前処理物を得る工程の間を通じて行われる。この間に低温水2次タンク56に貯留される前記冷水の水位が上限に達したことが水位センサ(図示せず)により検出されたときは、第4切替弁53が低温水バイパス導管52の上流と下流とを接続するように切り替えられ、該冷水は低温水1次タンク49に循環される。   The storage of the cold water is performed after the third switching valve 51 is switched to connect the low-temperature water conduit 48 and the low-temperature water bypass conduit 52 during the step of obtaining the substrate mixture, and then the ammonia-containing saccharification pretreatment product Is performed throughout the process of obtaining During this time, when the water level sensor (not shown) detects that the water level of the cold water stored in the low temperature water secondary tank 56 has reached the upper limit, the fourth switching valve 53 is located upstream of the low temperature water bypass conduit 52. Are switched to connect the downstream and the downstream, and the cold water is circulated to the low temperature water primary tank 49.

また、低温水2次タンク56に貯留される前記冷水が不足する場合には、第3給水弁60が開弁され、第3補給水タンク61から第3補給水導管59を介して、低温水1次タンク49に純水が補給される。   When the cold water stored in the low temperature water secondary tank 56 is insufficient, the third water supply valve 60 is opened, and the low temperature water is supplied from the third makeup water tank 61 through the third makeup water conduit 59. Pure water is supplied to the primary tank 49.

次に、反応容器2において前記アンモニア含有糖化前処理物が得られ、排気弁9を開弁して該アンモニア含有糖化前処理物から放散されるアンモニアガスがアンモニア凝縮器3に導入される段階に至ったならば、第4切替弁53により低温水バイパス導管52と冷水導管55とが接続された状態で、低温水2次ポンプ58を作動させる。このようにすると、低温水2次タンク56に貯留されている前記冷水が冷水供給導管57及び低温水導管48を介し、アンモニア水熱交換器41、凝縮タンク32を経由して、アンモニア凝縮器3に供給される。   Next, the ammonia-containing saccharification pretreatment product is obtained in the reaction vessel 2, the exhaust valve 9 is opened, and the ammonia gas released from the ammonia-containing saccharification pretreatment product is introduced into the ammonia condenser 3. If it arrives, the low temperature water secondary pump 58 is operated in the state where the low temperature water bypass conduit 52 and the cold water conduit 55 are connected by the fourth switching valve 53. In this way, the cold water stored in the low-temperature water secondary tank 56 passes through the cold water supply conduit 57 and the low-temperature water conduit 48, passes through the ammonia water heat exchanger 41 and the condensation tank 32, and then enters the ammonia condenser 3. To be supplied.

本実施形態の前処理方法は回分(バッチ)式であるので、アンモニア凝縮器3において、アンモニアガスを凝縮させる際に、アンモニアガスの放散の初期段階では、高濃度かつ大量のアンモニアガスがアンモニア凝縮器3に導入される。このため、前記初期段階では、前記アンモニアガスを速やかに冷却するために大きな冷却熱エネルギーが必要となる。しかし、本実施形態の前処理装置1によれば、低温水2次タンク56に貯留されている前記冷水をアンモニア凝縮器3に供給することにより、前記高濃度かつ大量のアンモニアガスを効率よく速やかに冷却し、十分に凝縮させることができる。   Since the pretreatment method of the present embodiment is a batch type, when the ammonia gas is condensed in the ammonia condenser 3, a high concentration and a large amount of ammonia gas is condensed in the initial stage of the ammonia gas emission. Introduced into the vessel 3. For this reason, in the initial stage, a large amount of cooling heat energy is required to quickly cool the ammonia gas. However, according to the pretreatment device 1 of the present embodiment, the cold water stored in the low-temperature water secondary tank 56 is supplied to the ammonia condenser 3 so that the high-concentration and a large amount of ammonia gas can be efficiently and quickly supplied. It can be cooled and fully condensed.

このとき、低温水2次ポンプ58の流量を低温水1次ポンプ50の流量より大としておくことにより、通常の低温水導管48のみを用いて低温水を循環させる場合よりも、アンモニア凝縮器3に供給される冷水の量を大きくすることができるので好ましい。   At this time, by setting the flow rate of the low-temperature water secondary pump 58 to be larger than the flow rate of the low-temperature water primary pump 50, the ammonia condenser 3 is more effective than the case where low-temperature water is circulated using only the normal low-temperature water conduit 48. Since the quantity of the cold water supplied to can be enlarged, it is preferable.

アンモニア凝縮器3に供給された前記冷水は、前記アンモニアガスの冷却に用いられた後、低温水導管48を介して排出される。そして、低温水1次ポンプ50から2元系ヒートポンプ19に供給されて再冷却された後、低温水バイパス導管52及び冷水導管55を経て低温水2次タンク56に戻される。   The cold water supplied to the ammonia condenser 3 is used for cooling the ammonia gas and then discharged through a low-temperature water conduit 48. Then, after being supplied from the low temperature water primary pump 50 to the binary heat pump 19 and recooled, it is returned to the low temperature water secondary tank 56 via the low temperature water bypass conduit 52 and the cold water conduit 55.

しかし、低温水2次ポンプ58の流量は低温水1次ポンプ50の流量より大であるので、低温水2次タンク56における前記冷水の貯留量は漸減する。そこで、低温水2次タンク56に貯留される前記冷水の水位が下限に達したことが水位センサ(図示せず)により検出されたならば、第3切替弁51が低温水導管48の上流と下流とを接続するように切り替えられる。   However, since the flow rate of the low-temperature water secondary pump 58 is larger than the flow rate of the low-temperature water primary pump 50, the amount of cold water stored in the low-temperature water secondary tank 56 gradually decreases. Therefore, if the water level sensor (not shown) detects that the water level of the cold water stored in the low temperature water secondary tank 56 has reached the lower limit, the third switching valve 51 is connected to the upstream side of the low temperature water conduit 48. It is switched so as to connect the downstream.

そして、アンモニア凝縮器3から導出された低温水が低温水導管48により、低温水1次タンク49、低温水1次ポンプ50、2元系ヒートポンプ19、第3切替弁51、アンモニア水熱交換器41、凝縮タンク32を介して、アンモニア凝縮器3に循環される通常の冷却状態に移行する。このときには、放散されるアンモニアガスの濃度も量も既に低減しているので、前記通常の冷却状態の低温水により十分に前記アンモニアガスを冷却し、凝縮させることができる。   Then, the low temperature water derived from the ammonia condenser 3 is supplied to the low temperature water primary tank 49, the low temperature water primary pump 50, the two-way heat pump 19, the third switching valve 51, the ammonia water heat exchanger through the low temperature water conduit 48. 41. The state is changed to a normal cooling state circulated to the ammonia condenser 3 through the condensation tank 32. At this time, since the concentration and amount of the ammonia gas to be diffused have already been reduced, the ammonia gas can be sufficiently cooled and condensed by the low-temperature water in the normal cooling state.

1…前処理装置、 2…反応容器、 3…アンモニア凝縮器、 4…アンモニア吸収塔、 5…アンモニアタンク、 15…温水導管、 16…温水1次タンク、 19…2元系ヒートポンプ、 21…温水バイパス導管、 24…高温水導管、 25…温水2次タンク、 26…高温水供給導管、 48…低温水導管、 49…低温水1次タンク。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Pretreatment apparatus, 2 ... Reaction container, 3 ... Ammonia condenser, 4 ... Ammonia absorption tower, 5 ... Ammonia tank, 15 ... Hot water conduit, 16 ... Hot water primary tank, 19 ... Two-way heat pump, 21 ... Hot water Bypass conduit, 24 ... Hot water conduit, 25 ... Hot water secondary tank, 26 ... Hot water supply conduit, 48 ... Low temperature water conduit, 49 ... Low temperature water primary tank.

Claims (3)

回分式で基質としてのリグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを混合して基質混合物を得る工程と、該基質混合物を所定の温度に加熱すると共に該温度に所定の時間保持することにより該基質からリグニンを解離させ又は該基質を膨潤させてアンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを放散させてアンモニアが分離されたアンモニア分離糖化前処理物を得る工程と、該アンモニア含有糖化前処理物から放散されたアンモニアを冷却して凝縮させると共に水に溶解させてアンモニア水として回収する工程とを備え、
該基質混合物を加熱する第1の熱媒体を加熱するヒートポンプに、第2の熱媒体を供給し、第2の熱媒体を第1の熱媒体との間で熱交換させることにより冷却し、冷却された第2の熱媒体を用いて該アンモニアを冷却するバイオマスの前処理方法において、
第2の熱媒体を該ヒートポンプと該アンモニアを冷却する部分とに循環させる循環経路に、該アンモニアを冷却する部分を回避して該ヒートポンプに循環させるバイパス循環経路を設け、第2の熱媒体を該バイパス循環経路に循環させることにより、第2の熱媒体を該循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却し、該循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却された第2の熱媒体を予め所定量貯留しておくと共に、該アンモニア含有糖化前処理物のアンモニアの放散の初期段階から、放散されるアンモニアの濃度が所定の濃度に低下し、かつ、該アンモニアの量が所定の量に低下するまでの間、貯留されている第2の熱媒体により該アンモニアを冷却することを特徴とするバイオマスの前処理方法。
A step of mixing a lignocellulosic biomass as a substrate with ammonia water in a batch system to obtain a substrate mixture, and heating the substrate mixture to a predetermined temperature and holding the substrate mixture at the temperature for a predetermined time, thereby lignin from the substrate. Dissociating or swelling the substrate to obtain an ammonia-containing saccharification pretreatment product, and releasing ammonia from the ammonia-containing saccharification pretreatment product to obtain an ammonia separation saccharification pretreatment product from which ammonia has been separated, and A step of cooling and condensing ammonia released from the ammonia-containing saccharification pretreatment product and dissolving it in water to recover it as ammonia water,
The second heat medium is supplied to a heat pump that heats the first heat medium that heats the substrate mixture, and the second heat medium is cooled by exchanging heat with the first heat medium. In the biomass pretreatment method of cooling the ammonia by using the second heat medium thus produced,
A circulation path for circulating the second heat medium to the heat pump and the part for cooling the ammonia is provided with a bypass circulation path for avoiding the part for cooling the ammonia and circulating to the heat pump. By circulating in the bypass circulation path, the second heat medium is cooled to a temperature lower than the temperature when circulating the second heat medium to the circulation path, and is cooled to a temperature lower than the temperature when circulating to the circulation path. A predetermined amount of the heat medium is stored in advance, and the concentration of the released ammonia is reduced to a predetermined concentration from the initial stage of ammonia emission of the ammonia-containing saccharification pretreatment product , and the amount of the ammonia is reduced. A biomass pretreatment method, wherein the ammonia is cooled by the stored second heat medium until the amount is reduced to a predetermined amount.
請求項1記載のバイオマスの前処理方法において、前記ヒートポンプは2元系ヒートポンプであることを特徴とするバイオマスの前処理方法。   The biomass pretreatment method according to claim 1, wherein the heat pump is a binary heat pump. 請求項1又は請求項2記載のバイオマスの前処理方法において、前記第2の熱媒体の貯留は、前記基質混合物を得る工程及び前記アンモニア含有糖化前処理物を得る工程の間に行われることを特徴とするバイオマスの前処理方法。   The biomass pretreatment method according to claim 1 or 2, wherein the storage of the second heat medium is performed between the step of obtaining the substrate mixture and the step of obtaining the ammonia-containing saccharification pretreatment product. A biomass pretreatment method characterized.
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